Ein entscheidender Wandel im Bereich der Bildgebungsanwendungen könnte sich abzeichnen, nachdem die Forscher von Exciton Science einen Weg zur Multienergie-Röntgenstrahldetektion mit erheblich verbesserter Flexibilität und Empfindlichkeit aufgezeigt haben.
Die von einem Team an der Monash University entwickelte Technologie basiert auf lösungsprozessierten, druckbaren Dioden, die aus Perowskit-Dünnschichten hergestellt werden, einer Komponente, die eher mit Solarenergiegeräten der nächsten Generation in Verbindung gebracht wird.
Die Ergebnisse der Arbeit wurden in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.
Dr. Babar Shabbir, Senior Exciton Science Research Fellow und Erstautor der Veröffentlichung, sagte: „Diese auf Perowskit basierenden Detektoren können schnelle Reaktionszeiten bieten und bieten eine hohe Empfindlichkeit, um eine Erkennung und Bildgebung in Echtzeit für komplexe Zwecke, einschließlich Krankheiten, zu ermöglichen Diagnosen, Detektion von Sprengstoffen und Identifizierung von Lebensmittelverunreinigungen.“
Die meisten Röntgendetektoren arbeiten in einem von zwei unterschiedlichen Energieniveaus – hart oder weich. Harte Röntgenstrahlen werden verwendet, um dichte Materialien wie Knochen oder Gestein zu durchdringen, während weiche Röntgenstrahlen für die sichere Abbildung lebender Materie wie Gewebe und Zellen erforderlich sind.
Eine typische Einzelenergiedetektion findet im harten Röntgenbereich zwischen 10 und 100 Kiloelektronenvolt (KeV) statt. Die Erkennung im weichen Fenster kann unterdessen Energieniveaus unter 1 keV erfordern.
Manchmal muss ein Röntgendetektor in der Lage sein, über beide Energieniveaus hinweg zu arbeiten. Zum Beispiel bei der Suche nach Tumoren im Brustgewebe.
Vorhandene Multienergie-Röntgendetektoren werden unter Verwendung von Silizium und Selen hergestellt, und obwohl sie in beiden Bereichen arbeiten können, sind sie in ihrer Energieempfindlichkeit und räumlichen Auflösung begrenzt.
Eine vielversprechende und potenziell weitaus effektivere und vielseitigere Alternative ist in Form von Metallhalogenid-Perowskiten aufgetaucht.
Perowskit-Materialien, die nach ihrer Kristallstruktur benannt sind, sind kostengünstig herzustellen und können die Intensität eines Röntgenstrahls beim Durchgang durch Materie effektiv steuern, ein Prozess, der als Röntgenstrahlabschwächung bekannt ist.
Wichtig ist, dass bei der Herstellung des Perowskits in einer Diodenvorrichtung der Röntgenstrahlabschwächungsprozess die Bildung von Ladungen induziert, die effektiv gesammelt werden können, um eine Signatur der Röntgenstrahlenergie und ihrer Intensität bereitzustellen.
In dieser neuen Arbeit wurde gezeigt, dass auf Perowskit basierende Multienergie-Röntgendetektoren in einem breiten Energiebereich von 0,1 KeV bis in die 10 KeV operieren können, deutlich breiter als bestehende konventionelle Multienergie-Röntgendetektoren.
Frühere Demonstrationen von Perowskit-basierten Geräten beschränkten sich auf die Erkennung harter Röntgenstrahlen und auf einen kleinen Maßstab im Bereich von Millimetern bis Zentimetern.
Dies ist nicht nur das erste Mal, dass Perowskite für die Erkennung weicher Röntgenstrahlen verwendet werden, der neue Ansatz eignet sich auch für die Aufskalierung auf die für die kommerzielle Nutzung erforderlichen großen Flächen.
Und da die Perowskit-Detektoren als dünner Film hergestellt werden, könnten sie mit flexiblen Substraten kombiniert werden, um eine neue Reihe von Geräteformen und -größen zu erschließen.
Professor Jacek Jasieniak von der Monash University, Exciton Science Chief Investigator und leitender Autor des Papiers, sagte: „Diese Arbeit zeigt, dass es eine natürliche Erweiterung von Perowskiten in gedruckten Röntgendetektoren gibt.
„Sie sollten billiger herzustellen sein und könnten auch modifizierte Filmformfaktoren beinhalten, wo Sie eine inhärente Flexibilität benötigen.
„Es öffnet das Feld für eine ganze Reihe neuer Fragen zur Verwendung dieser Art von Geräten.“
Mehr Informationen:
Babar Shabbir et al, Printable Perovskite Diodes for Broad‐Spectrum Multienergy X‐Ray Detection, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202210068
Bereitgestellt vom ARC Center of Excellence in Exciton Science